CN108757046B - 一种透平叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平叶片，包括叶身，该叶身由若干个二维叶型按一定规律叠合扭转成型，所述二维叶型是由内弧曲线和背弧曲线围成的月牙状封闭曲线；二维叶型具有特征弦长C、叶身高度H、相邻叶身各自对应的二维叶型之间的叶型栅距为t、二维叶型的相对栅距为t/C；相对栅距t/C沿叶身高度H方向从根部到顶部的变化规律满足二次多项式规律，趋势为叶身的中部相对栅距较大，其根部和顶部的相对栅距相对较小；叶型的轴向宽度沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值大小相关，但整个叶高范围内轴向宽度的变化幅度很小，本发明的透平叶片可同时兼顾根、中、顶部区域不同的损失来源，降低叶片气动损失，有效提高透平叶片的气动性能。

Description

一种透平叶片

技术领域

本发明属于汽轮机通流技术领域，具体涉及一种透平叶片，其叶身结构根据一种特殊的流型规律控制而来。

背景技术

汽轮机通流技术对汽轮机的经济性起着决定性的作用，而透平叶片的气动性能决定着汽轮机通流性能的优劣。

通常透平叶片的气动性能取决于叶片的汽流损失，主要包括两方面：型面损失和端部损失。型面损失主要考虑的是透平叶片叶身中部区域（即主流区域），即叶身二维叶型的表面摩擦损失，通常可通过改变叶身横截面轮廓形状进行优化控制。端部损失来源于叶身端部区域（即透平叶片叶身的根部区域和顶部区域），该区域汽流的离心力不足以抵消压力梯度而造成的端部二次流损失。而现有大多数透平叶片的叶身造型都主要局限于叶身的型面损失，并没有考虑端部二次流动损失。这种未考虑端部二次流损失的透平叶片叶身结构，存在气动性能低、气动损失高的技术问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种透平叶片，该叶片能够有效提高叶片通流气动性能，降低气动损失，以解决上述技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的透平叶片，包括叶身，所述叶身由若干个二维叶型按一定规律叠合扭转成型，所述二维叶型是由内弧曲线和背弧曲线围成的月牙状封闭曲线；所述二维叶型具有特征弦长C、叶身高度H、相邻叶身各自对应的二维叶型之间的叶型栅距为t、二维叶型的相对栅距为t/C；所述相对栅距t/C沿叶身高度H方向从根部到顶部的变化规律满足二次多项式规律，趋势为叶身的中部相对栅距较大，其根部和顶部的相对栅距相对较小。

进一步地，所述二维叶型的相对栅距t/C分布规律满足如下关系式：

t/C=ax2+bx+c (a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根、中、顶部二维叶型的相对栅距大小相关；t/C为某叶高处二维叶型的相对栅距；x为二维叶型所处截面的叶身高度。

进一步地，所述二维叶型还具有轴向宽度Cx；所述二维叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值大小相关，且满足以下关系：：

Cx_H> Cx_T> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_H> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_M> Cx_H；

其中，Cx _H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx _M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx _T为顶部部二维叶型的轴向宽度；DH为根部直径；DT为顶部直径；顶部截面的相对叶高值为DT/DH。

本发明的透平叶片，所述二维叶型还具有特征参数：喉部宽度T以及安装角A，所述叶身的造型过程包括以下步骤：

步骤1，选取叶身根部、中部、顶部的二维叶型相对栅距t/C_H、t/C_M、t/C_T，根部和顶部的相对栅距取值较中部小；

步骤2，根据二次多项式规律确定叶身其他叶高位置的相对栅距，二维叶型的相对栅距t/C沿叶片高度方向满足二次多项式规律分布，分布趋势为叶片的根部和顶部相对栅距t/C_H、t/C_T均小于中部相对栅距t/C_M，二维叶型的相对栅距沿叶片高度的分布规律满足如下关系式：

t/C=ax2+bx+c (a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根、中、顶部二维叶型的相对栅距大小t/C_H、t/C_M、t/C_T相关；

步骤3，根据叶片只数、根径及叶高位置可以确定不同叶高位置的叶型栅距，确定不同叶高位置二维叶型的弦长；

步骤4，根据顶部截面的相对叶高值DT/DH范围，选择轴向宽度Cx沿叶高的变化趋势；选取叶身中部高度处二维叶型的出口几何角α1g大小，反推中部叶型安装角A，进而得到叶身中部高度处二维叶型的轴向宽度；根部和顶部的轴向宽度根据Cx_H/ Cx_M、Cx_T/ Cx_M的取值大小确定；叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值大小相关，且满足以下关系：

Cx_H> Cx_T> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_H> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_M> Cx_H；

其中，Cx _H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx _M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx _T为顶部部二维叶型的轴向宽度；DH为根部直径；DT为顶部直径；顶部截面的相对叶高值为DT/DH。

步骤5，根据设计需求，再整体微调透平叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的透平叶片将二维叶型通过一种特殊的流型规律叠合扭转而成，该特殊流型规律即二维叶型的相对栅距沿叶片高度方向的变化规律满足二次多项式，且中部相对栅距大于根部和顶部的相对栅距，其目的是：在端部二次流损失较大的区域，设计较小的相对栅距，以减小横向压力梯度，减弱横向二次流损失；而在中部主流区域，则考虑型面损失最小，设计相对较大的相对栅距，这样便可同时兼顾根、中、顶部区域不同的损失来源，降低叶片气动损失，有效提高透平叶片的气动性能。

2、本发明的透平叶片叶身结构受二维叶型的相对栅距成二次多项式变化规律和轴向宽度分布规律同时约束，且整个叶身高度范围内轴宽变化幅度很小，不仅不会给透平叶片带来附加损失和增加结构布置的难度，而且能够使叶身二维叶型的安装角能够沿着叶片的高度方向呈现出有益于减小端部二次流动损失的几何特征，这进一步有效、可靠地提高了透平叶片的气动性能、降低了气动损失；本发明有利于大规模的应用和推广，可操作性强。

附图说明

图1是透平叶片的结构简图；

图2为图1中二维叶型的几何尺寸示意图；

图3为图1、图2所示二维叶型的相对栅距t/C沿叶身高度方向的变化规律示意图；

图4 为图1、图2所示二维叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化规律示意图；

图5 为叶片根、顶部直径示意图。

图中标记：100-叶身，101-内弧曲线，102-背弧曲线，103-顶部，104-中部，105-根部。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1和图2所示，一种透平叶片，包括叶身100，所述叶身100由若干个二维叶型按一定规律叠合扭转成型，所述二维叶型是由内弧曲线101和背弧曲线102围成的月牙状封闭曲线；所述二维叶型具有特征弦长C、叶身高度H、相邻叶身100各自对应的二维叶型之间的叶型栅距为t、二维叶型的相对栅距为t/C；所述相对栅距t/C沿叶身高度H方向从根部105到顶部103的变化规律满足二次多项式规律，趋势为叶身100的中部104相对栅距较大，其根部105和顶部103的相对栅距相对较小；叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值（DT/DH：顶部直径/根部直径）大小相关。

二维叶型的相对栅距t/C分布规律满足如下关系式：t/C=ax2+bx+c (a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根、中、顶部二维叶型的相对栅距大小相关；t/C为某叶高处二维叶型的相对栅距；x为二维叶型所处截面的叶身高度。

二维叶型还具有轴向宽度Cx；所述二维叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高度值（DT/DH：顶部直径/根部直径）大小相关，且满足以下关系：

Cx_H> Cx_T> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_H> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_M> Cx_H；

其中，Cx_H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx_M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx_T为顶部二维叶型的轴向宽度；DH为根部直径；DT为顶部直径；二维叶型的轴向宽度Cx沿高度方向变化幅度很小。

实施例2

如图3至图5所示，基于实施例1的透平叶片，进一步地，二维叶型还具有特征参数：喉部宽度T以及安装角A，所述叶身100的造型过程包括以下步骤：

步骤1，选取叶身100根部105、中部104、顶部103的二维叶型相对栅距t/C_H、t/C_M、t/C_T，根部105和顶部103的相对栅距取值较中部104小；一般中部二维叶型的相对栅距取值为二维叶型的最佳相对栅距。

步骤2，根据二次多项式规律确定叶身100其他叶高位置的相对栅距，如图3所示，二维叶型的相对栅距t/C沿叶片高度方向满足二次多项式规律分布，分布趋势为叶片的根部105和顶部103相对栅距t/C_H、t/C_T均小于中部104相对栅距t/C_M，二维叶型的相对栅距沿叶片高度的分布规律满足如下关系式：

t/C=ax2+bx+c (a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根部105、中部104、顶部103二维叶型的相对栅距大小t/C_H、t/C_M、t/C_T相关。

步骤3，根据叶片只数、根径及叶高位置可以确定不同叶高位置的叶型栅距，确定不同叶高位置二维叶型的弦长；由于前面已经确定了不同位置的相对栅距大小，因此进而可以确定不同叶高位置二维叶型的弦长。

步骤4，根据顶部103截面的相对叶高值DT/DH范围，选择轴向宽度Cx沿叶高的变化趋势；选取叶身100中部高度处二维叶型的出口几何角α1g大小，反推中部叶型安装角A，进而得到叶身中部104高度处二维叶型的轴向宽度；根部105和顶部103的轴向宽度根据Cx_H/Cx_M、Cx_T/ Cx_M的取值大小确定；叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值的大小相关，且满足以下关系，如图4所示，图中曲线1）、2）、3）分别示意了对应于以下三种不同的轴宽分布情形：

Cx_H> Cx_T> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_H> Cx_M，或者

Cx_T> Cx_M> Cx_H；

其中，Cx_H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx_M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx_T为顶部103部二维叶型的轴向宽度；DH为根部105直径；DT为顶部103直径，顶部截面的相对叶高值为DT/DH。

步骤5，根据设计需求，再整体微调透平叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种透平叶片，其特征在于，包括叶身，所述叶身由若干个二维叶型按一定规律叠合扭转成型，所述二维叶型是由内弧曲线和背弧曲线围成的月牙状封闭曲线；所述二维叶型具有特征弦长C、叶身高度H、相邻叶身各自对应的二维叶型之间的叶型栅距为t、二维叶型的相对栅距为t/C；所述相对栅距t/C沿叶身高度H方向从根部到顶部的变化规律满足二次多项式规律，趋势为叶身的中部相对栅距较大，根部和顶部的相对栅距相对较小，所述相对栅距t/C分布规律满足如下关系式：

t/C＝ax²+bx+c(a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根、中、顶部二维叶型的相对栅距大小相关；t/C为某叶高处二维叶型的相对栅距；x为二维叶型所处截面的叶身高度。

2.根据权利要求1所述的透平叶片，其特征在于，所述二维叶型还具有轴向宽度Cx；所述二维叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值大小相关，且满足以下关系：

Cx_H>Cx_T>Cx_M，或者

Cx_T>Cx_H>Cx_M，或者

Cx_T>Cx_M>Cx_H；

其中，Cx_H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx_M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx_T为顶部二维叶型的轴向宽度；DH为根部直径；DT为顶部直径；顶部截面的相对叶高值为DT/DH。

3.一种透平叶片，其特征在于，包括叶身，所述叶身由若干个二维叶型按一定规律叠合扭转成型，所述二维叶型是由内弧曲线和背弧曲线围成的月牙状封闭曲线，所述二维叶型具有以下特征参数：喉部宽度T以及安装角A，所述透平叶片的叶身造型过程包括以下步骤：

步骤1，选取叶身根部、中部、顶部的二维叶型相对栅距t/C_H、t/C_M、t/C_T，根部和顶部的相对栅距取值较中部小；

步骤2，根据二次多项式规律确定叶身其他叶高位置的相对栅距，二维叶型的相对栅距t/C沿叶片高度方向满足二次多项式规律分布，二维叶型的相对栅距沿叶片高度的分布规律满足如下关系式：

t/C＝ax²+bx+c(a≠0)，

式中，a、b、c的取值与根、中、顶部二维叶型的相对栅距大小t/C_H、t/C_M、t/C_T相关；

步骤3，根据叶片只数、根径及叶高位置确定不同叶高位置的叶型栅距，确定不同叶高位置二维叶型的弦长；

步骤4，根据顶部截面的相对叶高值DT/DH范围，选择轴向宽度Cx沿叶高的变化趋势；选取叶身中部高度处二维叶型的出口几何角α_lg大小，反推中部叶型安装角A，进而得到叶身中部高度处二维叶型的轴向宽度；根部和顶部的轴向宽度根据Cx_H/Cx_M、Cx_T/Cx_M的取值大小确定；叶型的轴向宽度Cx沿叶片高度方向的变化趋势与叶片顶部截面的相对叶高值大小相关，且满足以下关系：

Cx_H>Cx_T>Cx_M，或者

Cx_T>Cx_H>Cx_M，或者

Cx_T>Cx_M>Cx_H；

其中，Cx_H为根部二维叶型的轴向宽度；Cx_M为中间叶高处二维叶型的轴向宽度；Cx_T为顶部二维叶型的轴向宽度；DH为根部直径；DT为顶部直径；顶部截面的相对叶高值为DT/DH；

步骤5，根据设计需求，再整体微调透平叶片的摆放位置，以达到整个叶身的平均出口几何角满足设计要求。

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